WO2011073550A1 - Séparateur à écoulement cyclonique - Google Patents

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WO2011073550A1
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outlet
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fluid
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Philippe Coffin
Yves Lecoffre
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B1/00—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0217—Separation of non-miscible liquids by centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B11/00—Feeding, charging, or discharging bowls
    • B04B11/02—Continuous feeding or discharging; Control arrangements therefor

Definitions

  • the invention generally relates to a cyclonic flow separator for separating components from a fluid medium.
  • a non-exclusive application of such a separator is in the production of petroleum oil.
  • the separator is placed for example in a petroleum well. It receives a fluid comprising water and oil from a producer tank and extracts a reduced water content oil. The water separated from the extracted oil is re-injected into a reservoir level, which may be different from the producing reservoir, without having to be separated or treated in a surface installation.
  • An alternative is to separate the fluids in the well and bring them up to the surface.
  • the cyclonic flow regime in a component separation chamber of a fluid is particularly effective for the mass separation of components.
  • the heavier components are recovered at a radial position farther from the center than the lighter components.
  • the tangential velocity of the particles of the fluid medium increases according to a hyperbolic law from the periphery of the chamber to a radius where it reaches a maximum value, then decreases between this radius and the center of the chamber according to a linear law. In particular, it is zero in the center of the separation chamber. This subjects the particles of the fluid medium to radial accelerations inversely proportional to the cube of the radius in the hyperbolic zone.
  • FR-A-2,592,324 and FR-A-2,919,206 describe separators for heterogeneous liquid having a cylindrical separation chamber and an axial launcher which rotate integrally about their common axis.
  • the launcher has a core around which guide channels bring a fluid medium into the chamber to generate a cyclonic flow.
  • the object of the present invention is to improve rotary-type cyclonic flow separators.
  • it is sought to evacuate the solid particles from the fluid medium in the separation chamber.
  • a mobile assembly comprising at least one launcher and a cylindrical separation chamber having an inner wall, said movable assembly being rotated about said axis in order to drive the fluid medium in a substantially axial flow and cause the components to separate from said fluid medium, and
  • an outlet device at a downstream end of the separation chamber comprising at least a first outlet for extracting a first fluid component and a second outlet for extracting a second fluid component that is less dense than the first fluid component, said first outlet being further away of the axis as the second exit.
  • the output device includes a third output for extracting a third fluid component having solid particles.
  • the third fluid component is denser than the first fluid component, and the third output is further from the axis than the first output with at least one edge near the inner wall of the separation chamber.
  • the solid particles of the fluid medium form a small layer on the inner wall of the separation chamber and advance longitudinally on this wall in the direction of the flow of fluid towards the downstream end of the separation chamber, then are evacuated by the third exit.
  • they do not accumulate or little, the operation of the cyclonic flow separator is not disturbed and the separation chamber has less wear.
  • the separator comprises a bypass channel connecting in the output device, the third output with the second output so that the third fluid component flows to the second fluid component.
  • the separator further comprises a fixed outer envelope and first, second and third channels each in an extension of the first, second and third output, respectively, for conveying each fluid component, and wherein said third channel is part of a external insert rotated about the axis with the movable assembly and opens into a fixed cavity of the outer casing;
  • - Sealing means are sealing between the outer shell and the outer insert including the third channel;
  • the sealing means comprise a sealing grain applied in abutment against one or the other of the outer insert and the outer casing, by at least one elastic element;
  • the outer insert and the outer envelope are axially separated by a clearance forming a leakage channel between the first outlet channel and the cavity;
  • the leakage channel extends in a cylindrical portion substantially parallel to the axis comprising a plurality of radial restrictions for adjusting a pressure drop of said leakage channel;
  • the third channel comprises at least a first diaphragm adapted so that a pressure of the third fluid component in said cavity is less than or equal to a pressure of the first fluid component in the first channel;
  • bypass channel extends between the cavity and the second channel, so that the third fluid component flows to the second fluid component
  • the bypass channel comprises a second diaphragm adapted so that a pressure of the third fluid component in said cavity is greater than or equal to a pressure of the second fluid component in the second channel;
  • the third channel is divided into a plurality of subchannels between the third outlet of the separation chamber and the first diaphragm;
  • the outlet device forms a bottom to the separation chamber substantially transverse to the axis, comprising an annular projection extending upstream of the fluid flow in the separation chamber, said projection being located between the first outlet and the third output in such a way as to channel the particles solids of the third fluid component to said third output.
  • FIG. 1 is a schematic diagram in longitudinal section of a component separator of a fluid medium
  • FIG. 2 is an enlarged view in longitudinal section of the output device of the separator of FIG. 1;
  • FIG. 3A is a longitudinal sectional view of the output device of a first embodiment of the invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the device of FIG. 3A along section line IIIB;
  • FIG. 4 is a view of the output device of a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a view of the output device of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a view of the output device of a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 7A is a view of the output device of a fifth embodiment of the invention.
  • Figure 7B is an enlarged view of a portion of Figure 7A;
  • FIG. 8 is a sectional view developed in a plane manner of an example of a third output of an output device of the invention.
  • FIG. 1 presents a general view in axial section of an embodiment of a separator with cyclonic flow.
  • This example of separator 1 comprises a fixed outer casing 5 of generally cylindrical shape of axis 6, comprising an inlet E of a fluid medium to be separated, a fluid outlet SI and a fluid outlet S2.
  • a cylindrical separation chamber 3 and a coaxial launcher 2 are mounted coaxially with the casing 5 and pivotable about the axis 6.
  • the chamber 3 and the launcher 2 belong to an assembly 11 pivotally mounted in the outer casing 5 on bearings 12.
  • the number and position of the bearings in FIG. 1 may vary.
  • Dynamic seals 13 make it possible to seal between the moving assembly 11 and the fixed outer casing 5.
  • the mobile assembly 11 is rotated by a belt 14 driven itself by a motor 4.
  • the inlet E at an upstream end of the separator 1, is fed by an axial connection 10 with a flow rate under pressure of a fluid medium to be separated, such as a water-oil emulsion.
  • the output S1 is produced here by a lateral connection 8 on the outer casing 5 of the separator 1. This output S1 makes it possible to evacuate a first fluid component of relatively high density captured at the outlet of the separation chamber 3, that is, ie opposite the launcher 2, away from the axis 6.
  • the output S2 is produced here by a tube 7 centered on the axis 6 and communicating with the interior of the separation chamber 3. This output S2 makes it possible to evacuate a second fluid component of lower density than the first component.
  • the first fluid component is water (having a residual oil content much lower than the oil content of the emulsion introduced at the inlet E), and the second fluid component of the oil (having a residual water content much lower than the water content of the emulsion introduced at the inlet E) .
  • the fluid medium (water-oil) enters the moving assembly 11 by its upstream end, opens into an upstream chamber 15, passes through the launcher 2 which converts the translational movement of the fluid into a rotational movement of axis 6 and rotation speed identical to that of the assembly 11, and is injected at the periphery of the separation chamber 3 with a tangential speed substantially equal to that of the inner wall 3a of the separation chamber 3.
  • the tangential velocity of the fluid in the chamber 3 changes substantially inversely proportional to the radius, increasing very strongly when approaching the center, that is to say of the axis 6. This leads to accelerations favorable to the separation of the fluids, and in particular to concentrate the second fluid component, of lower density than the first fluid component, towards the center of the separation chamber 3 during the flow.
  • the first relatively dense fluid component (water) is then discharged from the separation chamber 3 by a first annular outlet 21 to the downstream end of the chamber 3, which communicates with the output SI of the separator via a first annular channel 31.
  • Figure 2 which is an enlarged view of the right part of Figure 1.
  • the water thus discharged the residual oil content may be very low, is re-injected into a reservoir level which may be different from that from which the emulsified mixture supplied to the inlet E of the separator originates.
  • the second relatively sparse fluid component (oil) is extracted by a second outlet 22 of the separation chamber 3 consisting in this example of a circular inlet opening of the central tube 7.
  • This tube 7 of the embodiment of FIGS. 2 is integral with the outer casing 5 of the separator, and does not rotate with the separation chamber 3, which simplifies the construction of the apparatus.
  • the tube 7, the first and second outlets 21,22, the lateral 8 and axial connections 10 are an example of an outlet device 16 at a downstream end 3b of the separation chamber 3.
  • outlets 16 of the separation chamber 3 are both ring-shaped and concentric with the axis of the chamber.
  • Various arrangements are possible at the outlet of the cyclonic flow separation chamber 3.
  • the outlets are concentric and the denser component (water) is discharged at the outlet farthest from the axis while the lighter component (oil) is extracted at the output closest to the axis.
  • a gas outlet (least dense phase and most central outlet) may be provided in addition to the water and oil outlets.
  • Figures 3A and 3B show enlarged views of a first embodiment of an output device 16 of the invention.
  • the separation chamber 3 comprises a first annular outlet 21 and a second annular outlet 22 surrounded by the first outlet 21.
  • the output device 16 further comprises:
  • a central insert 17 extending in the direction of the axis 6 and comprising a substantially circular upstream face 17a centered on the axis 6,
  • a substantially cylindrical intermediate insert 18 extending in the direction of the axis 6 around the central insert 17 and having an annular upstream face 18a surrounding the upstream face 17a, and
  • the face 17a of the central insert 17 generates in the separation chamber 3, a dead zone in which the fluid medium does not move.
  • This dead zone of fluid medium substantially cylindrical, extends from the face 17a towards the inside of the separation chamber 3.
  • the upstream face 18a of the intermediate insert 18 has in this figure a small thickness in a radial direction perpendicular to the direction of the axis 6. It separates the first and second outputs (21, 22) of the separator, that is, that is, separates the flows of the first fluid component (water) and the second fluid component (oil) from the fluid medium.
  • the upstream faces 17a, 18a and 19a of the output device 16 form the bottom of the separation chamber 3 at its downstream end 3b.
  • the first, second and third outlets (21, 22, 23) are formed between these upstream faces of the output device 16.
  • the central insert 17 is connected by parts not shown in the figures to the outer envelope 5 of the separator 1, so that it does not rotate or is not rotated with the mobile assembly 11.
  • the intermediate insert 18 is also connected to the outer casing 5 of the separator 1, for example by radial bridges extending between the central insert 17 and the intermediate insert 18. It therefore does not rotate or is not rotated with the moving assembly 11.
  • the outer insert 19 is connected to the moving assembly 11, for example by other radial bridges extending between the outer insert 19 and the moving assembly 11. It is therefore rotated about the axis 6 but still relative to the moving assembly 11.
  • a substantially annular space between the central insert 17 and the intermediate insert 18 forms a second extraction channel 32 in the extension of the second outlet 22 of the separation chamber, for extracting the second fluid component (oil).
  • a substantially annular space between the intermediate insert 18 and the outer insert 19 forms a first extraction channel 31 in the extension of the first outlet 21 of the separation chamber 3, for extracting the first fluid component (water).
  • a substantially annular space between the outer insert 19 and the moving assembly 11 forms a third extraction channel 33 in the extension of the third outlet 23 of the separation chamber 3, to extract the third fluid component comprising solid particles ( sand).
  • Said third outlet 23 has an outer edge 23a having a diameter substantially equal to the inner diameter of the inner wall 3a of the separation chamber 3.
  • the solid particles of the third fluid component are thus rapidly discharged through the third outlet 23 of the outlet device 16. They do not accumulate in the separation chamber 3, do not disturb the cyclonic flow of this chamber and do not generate no wear of the output device 16.
  • the output device 16 further comprises sealing means 40 between the fixed elements and the movable elements.
  • sealing means 40 comprise in particular:
  • sealing means 40 make it possible to avoid any leakage of the third fluid component comprising solid particles (sand) to the first fluid component (water), to be reinjected into the geological formation.
  • Each sealing grain 41, 42 is annular and is applied against the movable member by a resilient member 41a, 42a, respectively, for example Belleville washer type, or coil spring.
  • the third channel 33 thus extends from the third outlet 23 of the separation chamber 3 to the sealing means 40, through the moving assembly 11 and / or the external insert 19.
  • This third channel 33 is therefore mobile in rotation with the assembly 11 about the axis 6. It then opens into a cavity 5a of the envelope 5, which is fixed.
  • bypass channel 50 is, for example, made with at least one radial tube 51, passing through the outer insert 19, the first channel 31 and the intermediate insert 18, to open radially into the second channel 32.
  • the third fluid component comprising solid particles (sand) is thus diverted towards the second fluid component (oil).
  • tubes 51 may be arranged radially, in a star around the axis 6.
  • FIG. 4 a second embodiment is presented, incorporating all the characteristics of the first embodiment of the output device 16, and in which the upstream face 19a is not a flat surface substantially perpendicular to the axis 6.
  • This upstream face 19a comprises an annular projection 19b extending in direction of the interior of the separation chamber 3.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the invention comprising a single sealing grain 42 adapted to provide a seal between the fixed outer casing 5 and the outer insert 19 rotatable about the axis 6.
  • Simplified structure makes it possible to use a sealing grain of larger cross-section, more resistant to the significant relative speeds between the outer envelope 5 and the outer insert 19.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the invention in which the sealing means of the previous embodiments are replaced by an axial clearance between the outer envelope 5 and the outer insert 19, said clearance forming a channel of leak 43 between the first channel 31 and the cavity 5a.
  • the sealing grains 41, 42 must be sized to withstand the relative speeds and natures of the fluid components, which is not easy for the oil application.
  • the output device 16 of this embodiment (but the other embodiments may also have this feature) comprises a first diaphragm 34 at the outlet of the third channel 33, that is to say at the inlet of the cavity 5a.
  • a pressure of the third fluid component in the cavity 5a may be less than or equal to a pressure of the first fluid component in the first channel 31. In this way, it is ensured that in the escape channel 43 a weak quantity of the first fluid component (water) of the first channel 31 is diverted to the cavity 5a, and the third fluid component comprising solid particles (sand) does not pass through this leakage channel 43 to the first channel 31.
  • the first component fluid is not polluted and the output device 16 no longer needs sealing grain or any sealing device by contact.
  • the output device 16 of this embodiment also comprises a second diaphragm 52 at the input of the bypass channel formed by the tube 51, that is to say at the output of the cavity 5a.
  • a pressure of the third fluid component in the cavity 5a may be greater than or equal to a pressure of the second fluid component in the second channel 32. In this way, it is ensured that the third fluid component is evacuated by the diversion channel to the second channel 32.
  • the first and second diaphragms 34, 52 therefore make it possible to adjust the pressure in the cavity 5a, and therefore the flow rates at the inlet and the outlet of this chamber. It is thus possible to ensure that these flows are large enough so that the solid particles (sand) of the third fluid component do not accumulate and do not clog this cavity 5a.
  • Figures 7A and 7B show a fifth mode of embodiment of the invention wherein the escape channel 43 of the fourth embodiment, here comprises an intermediate portion 43b of substantially cylindrical longitudinal shape about the axis 6 of the device, between an inlet portion 43a and an output portion 43c substantially annular and radial.
  • the intermediate portion 43b optionally comprises a plurality of radially extending protuberances 43d extending transversely, forming radial restrictions in the escape channel 43 and adapted to control the flow rate of fluid passing through this escape channel 43.
  • This intermediate portion 43b thus makes it possible to adjust the hydraulic pressure drop and the flow rate of the escape channel 43, without requiring a large radial space requirement and without imposing axial tolerances that are difficult to substantially maintain.
  • FIG. 8 represents a planarly developed schematic view of an example of a substantially annular third channel 33 of the output device 16 of the invention.
  • This third channel 33 comprises a plurality of sub-channels 33b separated by the bridges 19b connecting the outer insert 19 to the moving assembly 11. These subchannels have inputs of convergent shape to facilitate the flow, and prevent solid particles (sand) of the third fluid component do not accumulate or clog these inputs.

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Abstract

Séparateur de composants d'un milieu fluide, comprenant le long d'un axe (6) un ensemble mobile (11) entraîné en rotation autour de l'axe et un dispositif de sortie (16). L'ensemble mobile comprend une chambre de séparation (3) cylindrique ayant une paroi intérieure (3a). Le dispositif de sortie (16) comprend une deuxième sortie (22) et une première sortie (21) plus éloignée de l'axe que la deuxième sortie. Le dispositif de sortie (16) comprend une troisième sortie (23) plus éloignée de l'axe que la première sortie pour extraire un troisième composant fluide comportant des particules solides. Cette troisième sortie (23) comprend un bord à proximité d'une paroi intérieure (3a) de la chambre de séparation (3).

Description

Séparateur à écoulement cyclonique
L'invention concerne de façon générale un séparateur à écoulement cyclonique pour séparer des composants d'un milieu fluide.
Une application non exclusive d'un tel séparateur se situe dans la production d'huile pétrolière. Dans cette application, à laquelle les inventeurs se sont particulièrement intéressés, sans que ceci soit à considérer comme limitatif, le séparateur est placé par exemple dans un puits pétrolier. Il reçoit un fluide comprenant de l'eau et de l'huile, provenant d'un réservoir producteur et en extrait une huile à teneur réduite en eau. L'eau séparée de l'huile extraite est réinjectée dans un niveau réservoir, qui peut être différent du réservoir producteur, sans avoir à être séparée ou traitée dans une installation de surface. Une variante est de séparer les fluides dans le puits et de les remonter en surface.
Le régime cyclonique d'écoulement dans une chambre de séparation de composants d'un fluide est particulièrement efficace pour la séparation massique des composants. En sortie de la chambre de séparation à écoulement cyclonique, on récupère les composants les plus lourds à une position radiale plus éloignée du centre que les composants plus légers. Dans un écoulement cyclonique idéal, la vitesse tangentielle des particules du milieu fluide croît selon une loi hyperbolique depuis la périphérie de la chambre jusqu'à un rayon où elle atteint une valeur maximale, puis diminue entre ce rayon et le centre de la chambre selon une loi linéaire. Elle est en particulier nulle au centre de la chambre de séparation. Ceci soumet les particules du milieu fluide à des accélérations radiales inversement proportionnelles au cube du rayon dans la zone hyperbolique.
Les documents FR-A-2 592 324 et FR-A-2 919 206 décrivent des séparateurs pour liquide hétérogène ayant une chambre de séparation cylindrique et un lanceur axial qui tournent solidairement autour de leur axe commun. Le lanceur a un noyau autour duquel des canaux de guidage amènent un milieu fluide dans la chambre en vue d'y générer un écoulement cyclonique.
Ces séparateurs permettent de séparer deux composants fluides du milieu fluide. Cependant lorsque le milieu est également chargé en particules solides plus denses que les composants fluides, celles-ci s'accumulent sur la paroi intérieure de la chambre de séparation, notamment à proximité de l'extrémité aval de la chambre de séparation. Cette accumulation perturbe le régime cyclonique de l'écoulement, et provoque une érosion de l'extrémité aval de la chambre de séparation.
La présente invention a pour but de perfectionner les séparateurs à écoulement cyclonique de type tournant. On cherche notamment à évacuer les particules solides du milieu fluide dans la chambre de séparation.
Un séparateur à écoulement cyclonique selon un mode de réalisation de l'invention comprend le long d'un axe :
- un ensemble mobile comprenant au moins un lanceur et une chambre de séparation cylindrique ayant une paroi intérieure, ledit ensemble mobile étant entraîné en rotation autour dudit axe pour entraîner le milieu fluide selon un écoulement sensiblement axial et provoquer la séparation de composants dudit milieu fluide, et
- un dispositif de sortie à une extrémité aval de la chambre de séparation comprenant au moins une première sortie pour extraire un premier composant fluide et une deuxième sortie pour extraire un deuxième composant fluide moins dense que le premier composant fluide, ladite première sortie étant plus éloignée de l'axe que la deuxième sortie.
Le dispositif de sortie comprend une troisième sortie pour extraire un troisième composant fluide comportant des particules solides. Le troisième composant fluide est plus dense que le premier composant fluide, et la troisième sortie est plus éloignée de l'axe que la première sortie avec au moins un bord à proximité de la paroi intérieure de la chambre de séparation.
Grâce à ces dispositions, les particules solides du milieu fluide forment une faible couche sur la paroi intérieure de la chambre de séparation et avancent longitudinalement sur cette paroi dans le sens de l'écoulement de fluide vers l'extrémité aval de la chambre de séparation, puis sont évacuées par la troisième sortie. Ainsi, elles ne s'accumulent pas ou peu, le fonctionnement du séparateur à écoulement cyclonique n'est pas perturbé et la chambre de séparation présente moins d'usure.
En variante, le séparateur comprend un canal de dérivation reliant dans le dispositif de sortie, la troisième sortie avec la deuxième sortie de telle sorte que le troisième composant fluide s'écoule vers le deuxième composant fluide.
Grâce à cette disposition, dans le cas de l'application pétrolière, l'eau chargée en particules solides n'est pas réinjectée dans un niveau réservoir, ce qui a tendance à colmater ce niveau réservoir. Elle est remontée avec l'huile, puis séparée de l'huile.
Dans des modes de réalisation du séparateur, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
- le séparateur comprend en outre une enveloppe externe fixe et des premier, deuxième et troisième canaux chacun dans un prolongement de la première, deuxième et troisième sortie, respectivement, pour transporter chaque composant fluide, et dans lequel ledit troisième canal fait partie d'un insert externe entraîné en rotation autour de l'axe avec l'ensemble mobile et débouche dans une cavité fixe de l'enveloppe externe ;
- des moyens d'étanchéité font étanchéité entre l'enveloppe externe et l' insert externe comprenant le troisième canal ;
- les moyens d ' étanchéité comprennent un grain d ' étanchéité appliqué en appui contre l'un ou l'autre parmi l'insert externe et l'enveloppe externe, par au moins un élément élastique ;
- l'insert externe et l'enveloppe externe sont axialement séparés par un jeu formant un canal de fuite entre le premier canal de sortie et la cavité ;
- le canal de fuite s'étend selon une portion cylindrique sensiblement parallèle à l'axe comprenant une pluralité de restrictions radiales pour régler une perte de charge dudit canal de fuite ;
- le troisième canal comprend au moins un premier diaphragme adapté pour qu'une pression du troisième composant fluide dans ladite cavité soit inférieure ou égale à une pression du premier composant fluide dans le premier canal ;
- un canal de dérivation s'étend entre la cavité et le deuxième canal, de telle sorte que le troisième composant fluide s'écoule vers le deuxième composant fluide ;
- le canal de dérivation comprend un deuxième diaphragme adapté pour qu'une pression du troisième composant fluide dans ladite cavité soit supérieure ou égale à une pression du deuxième composant fluide dans le deuxième canal ;
- le troisième canal est divisé en une pluralité de sous-canaux entre la troisième sortie de la chambre de séparation et le premier diaphragme ;
- le dispositif de sortie forme un fond à la chambre de séparation sensiblement transversal à l'axe, comprenant une saillie annulaire s 'étendant vers l'amont de l'écoulement fluide dans la chambre de séparation, ladite saillie étant située entre la première sortie et la troisième sortie de telle sorte à canaliser les particules solides du troisième composant fluide vers ladite troisième sortie .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins:
- la figure 1 est un schéma de principe en coupe longitudinale d'un séparateur de composants d'un milieu fluide;
- la figure 2 est une vue agrandie en coupe longitudinale du dispositif de sortie du séparateur de la figure 1;
- la figure 3A est une vue en coupe longitudinale du dispositif de sortie d'un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3B est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 3A selon la ligne de coupe IIIB ;
- la figure 4 est une vue du dispositif de sortie d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une vue du dispositif de sortie d'un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une vue du dispositif de sortie d'un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 7A est une vue du dispositif de sortie d'un cinquième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 7B est une vue agrandie d'une partie de la figure 7A ;
- la figure 8 est une vue en coupe développée de manière plane d'un exemple de troisième sortie d'un dispositif de sortie de l'invention.
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
La figure 1 présente une vue générale en coupe axiale d'un mode de réalisation d'un séparateur à écoulement cyclonique. Cet exemple de séparateur 1 comporte une enveloppe externe 5 fixe, de forme générale cylindrique d'axe 6, comprenant une entrée E d'un milieu fluide à séparer, une sortie SI de fluide et une sortie S2 de fluide. A l'intérieur de l'enveloppe 5, une chambre de séparation cylindrique 3 et un lanceur coaxial 2 sont montés de façon coaxiale avec l'enveloppe 5 et pivotants autour de l'axe 6.
La chambre 3 et le lanceur 2 appartiennent à un ensemble 11 monté pivotant dans l'enveloppe externe 5 sur des roulements 12. Le nombre et la position des roulements sur la figure 1 peuvent varier. Des joints dynamiques 13 permettent de réaliser l'étanchéité entre l'ensemble mobile 11 et l'enveloppe externe 5 fixe. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'ensemble mobile 11 est entraîné en rotation par une courroie 14 entraînée elle- même par un moteur 4.
L'entrée E, à une extrémité amont du séparateur 1, est alimentée par un raccord axial 10 avec un débit sous pression d'un milieu fluide à séparer, tel qu'une émulsion eau-huile .
La sortie SI est réalisée ici par un raccord latéral 8 sur l'enveloppe externe 5 du séparateur 1. Cette sortie SI permet d'évacuer un premier composant fluide de densité relativement importante capté en sortie de la chambre de séparation 3, c'est-à-dire à l'opposé du lanceur 2, à distance de l'axe 6.
La sortie S2 est réalisée ici par un tube 7 centré sur l'axe 6 et communiquant avec l'intérieur de la chambre de séparation 3. Cette sortie S2 permet d'évacuer un deuxième composant fluide de densité plus faible que le premier composant.
Dans l'application à la production d'huile pétrolière, le premier composant fluide est de l'eau (ayant une teneur résiduelle en huile beaucoup plus faible que la teneur en huile de l'émulsion introduite à l'entrée E) , et le deuxième composant fluide de l'huile (ayant une teneur résiduelle en eau beaucoup plus faible que la teneur en eau de l'émulsion introduite à l'entrée E) .
Après l'entrée E, le milieu fluide (eau-huile) pénètre dans l'ensemble mobile 11 par son extrémité amont, débouche dans une chambre amont 15, traverse le lanceur 2 qui transforme le mouvement de translation du fluide en un mouvement de rotation d'axe 6 et de vitesse de rotation identique à celle de l'ensemble 11, et est injecté en périphérie de la chambre de séparation 3 avec une vitesse tangentielle sensiblement égale à celle de la paroi intérieure 3a de la chambre de séparation 3.
Avec ce type d'entrée dans la chambre de séparation 3, la vitesse tangentielle du fluide dans la chambre 3 évolue sensiblement de manière inversement proportionnelle au rayon, augmentant très fortement lorsque l'on se rapproche du centre, c'est-à-dire de l'axe 6. Ceci conduit à des accélérations favorables à la séparation des fluides, et notamment à concentrer le deuxième composant fluide, de densité plus faible que le premier composant fluide, vers le centre de la chambre de séparation 3 lors de l'écoulement.
Le premier composant fluide relativement dense (eau) est alors évacué de la chambre de séparation 3 par une première sortie 21 annulaire à l'extrémité aval de la chambre 3, qui communique avec la sortie SI du séparateur via un premier canal 31 annulaire. Ces éléments sont plus facilement visibles sur la figure 2 qui est une vue agrandie de la partie droite de la figure 1. Dans l'application à la production pétrolière, l'eau ainsi évacuée, dont la teneur résiduelle en huile peut être très faible, est réinjectée dans un niveau réservoir qui peut être différent de celui d'où provient le mélange émulsionné amené à l'entrée E du séparateur. Le deuxième composant fluide relativement peu dense (huile) est extrait par une deuxième sortie 22 de la chambre de séparation 3 consistant dans cet exemple en un orifice d'entrée circulaire du tube central 7. Ce tube 7 du mode de réalisation des figures 1 et 2 est solidaire de l'enveloppe externe 5 du séparateur, et ne tourne pas avec la chambre de séparation 3, ce qui simplifie la construction de l'appareil.
Le tube 7, les première et deuxième sorties 21,22, les raccords latéral 8 et axial 10 sont un exemple de dispositif de sortie 16 à une extrémité aval 3b de la chambre de séparation 3.
Dans un autre agencement du dispositif de sortie 16 de la chambre de séparation 3, celles-ci sont toutes deux de forme annulaire et concentriques avec l'axe de la chambre. Divers agencements sont possibles en sortie de la chambre de séparation 3 à écoulement cyclonique. En général, les sorties sont concentriques et le composant le plus dense (l'eau) est évacué au niveau de la sortie la plus éloignée de l'axe tandis que le composant le plus léger (l'huile) est extrait au niveau de la sortie la plus proche de l'axe. Dans certains cas, une sortie de gaz (phase la moins dense et sortie la plus centrale) peut être prévue en plus des sorties d'eau et d'huile.
Les figures 3A et 3B présentent des vues agrandies d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de sortie 16 de l'invention. Dans cette vue, la chambre de séparation 3 comprend une première sortie 21 annulaire et une deuxième sortie 22 annulaire entourée par la première sortie 21.
Le dispositif de sortie 16 comprend en outre :
- un insert central 17 s 'étendant selon la direction de l'axe 6 et comportant une face amont 17a sensiblement circulaire centrée sur l'axe 6,
- un insert intermédiaire 18 sensiblement cylindrique, s 'étendant selon la direction de l'axe 6 autour de 1 'insert central 17 et ayant une face amont 18a annulaire entourant la face amont 17a, et
- un insert externe 19 sensiblement cylindrique, s'étendant selon la direction de l'axe 6 autour de l'insert intermédiaire 18 et ayant une face amont 19a annulaire entourant la face amont 18a.
La face 17a de l'insert central 17 génère dans la chambre de séparation 3, une zone morte dans laquelle le milieu fluide ne se déplace pas. Cette zone morte de milieu fluide, sensiblement cylindrique, s'étend depuis la face 17a vers l'intérieur de la chambre de séparation 3.
La face amont 18a de l'insert intermédiaire 18 a sur cette figure une faible épaisseur dans une direction radiale perpendiculaire à la direction de l'axe 6. Elle sépare les première et deuxième sorties (21, 22) du séparateur, c'est-à-dire sépare les écoulements du premier composant fluide (eau) et du deuxième composant fluide (huile) du milieu fluide.
Les faces amonts 17a, 18a et 19a du dispositif de sortie 16 forment le fond de la chambre de séparation 3 à son extrémité aval 3b. Les première, deuxième et troisième sorties (21, 22, 23) sont ménagées entre ces faces amonts du dispositif de sortie 16.
L'insert central 17 est relié par des pièces non représentées sur les figures à l'enveloppe externe 5 du séparateur 1, de telle sorte qu'il ne tourne pas ou n'est pas mis en rotation avec l'ensemble mobile 11.
L'insert intermédiaire 18 est également relié à l'enveloppe externe 5 du séparateur 1, par exemple par des pontets radiaux s'étendant entre l'insert central 17 et l'insert intermédiaire 18. Il ne tourne donc pas ou n'est pas mis en rotation avec l'ensemble mobile 11.
L'insert externe 19 est relié à l'ensemble mobile 11, par exemple par d'autres pontets radiaux s'étendant entre l'insert externe 19 et l'ensemble mobile 11. Il est donc entraîné en rotation autour de l'axe 6, mais immobile par rapport à l'ensemble mobile 11.
Un espace sensiblement annulaire entre l 'insert central 17 et 1 'insert intermédiaire 18 forme un deuxième canal 32 d'extraction dans le prolongement de la deuxième sortie 22 de la chambre de séparation, pour extraire le deuxième composant fluide (huile) .
Un espace sensiblement annulaire entre 1 'insert intermédiaire 18 et 1 'insert externe 19 forme un premier canal 31 d'extraction dans le prolongement de la première sortie 21 de la chambre de séparation 3, pour extraire le premier composant fluide (eau) .
Un espace sensiblement annulaire entre 1 'insert externe 19 et l'ensemble mobile 11 forme un troisième canal 33 d'extraction dans le prolongement de la troisième sortie 23 de la chambre de séparation 3, pour extraire le troisième composant fluide comportant des particules solides (sable) . Ladite troisième sortie 23 possède un bord externe 23a ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre interne de la paroi intérieure 3a de la chambre de séparation 3.
Les particules solides du troisième composant fluide (sable) sont ainsi rapidement évacuées par la troisième sortie 23 du dispositif de sortie 16. Elles ne s'accumulent pas dans la chambre de séparation 3, ne perturbent pas l'écoulement cyclonique de cette chambre et ne génèrent pas d'usure du dispositif de sortie 16.
Le dispositif de sortie 16 comprend en outre des moyens d'étanchéité 40 entre les éléments fixes et les éléments mobiles.
Ces moyens d'étanchéité 40 comprennent notamment :
- un premier grain d'étanchéité 41 disposé l'ensemble mobile 11 et l'enveloppe extérieure 5 fixe, et
- un deuxième grain d'étanchéité 42 disposé entre l'insert externe 19 et l'enveloppe extérieure 5 fixe.
Ces moyens d'étanchéité 40 permettent d'éviter toute fuite du troisième composant fluide comportant des particules solides (sable) vers le premier composant fluide (eau) , destiné à être réinjecté dans la formation géologique .
Chaque grain d'étanchéité 41, 42 est annulaire et il est appliqué contre l'élément mobile par un élément élastique 41a, 42a, respectif, par exemple du type rondelle Belleville, ou ressort hélicoïdal.
Le troisième canal 33 s'étend donc depuis la troisième sortie 23 de la chambre de séparation 3 jusqu'aux moyens d'étanchéité 40, à travers l'ensemble mobile 11 et/ou l'insert externe 19. Ce troisième canal 33 est donc mobile en rotation avec l'ensemble 11 autour de l'axe 6. Il débouche alors dans une cavité 5a de l'enveloppe 5, qui elle est fixe.
Ensuite, le troisième composant fluide est conduit vers le deuxième canal 32 par au moins un canal de dérivation 50. Ce canal de dérivation 50 est, par exemple, réalisé avec au moins un tube 51 radial, traversant l'insert externe 19, le premier canal 31 et l'insert intermédiaire 18, pour déboucher radialement dans le deuxième canal 32.
Le troisième composant fluide comportant des particules solides (sable) est donc dévié vers le deuxième composant fluide (huile) .
Grâce à cette disposition, les particules solides denses sont transportées avec le deuxième composant fluide, l'huile, le composant léger du milieu fluide.
En outre, comme représenté en figure 3B, plusieurs tubes 51 peuvent être disposés radialement, en étoile autour de l'axe 6.
En figure 4, un deuxième mode de réalisation est présenté, reprenant toutes les caractéristiques du premier mode de réalisation du dispositif de sortie 16, et dans lequel la face amont 19a n'est pas une surface plane sensiblement perpendiculaire à l'axe 6. Cette face amont 19a comprend une saillie 19b annulaire s 'étendant en direction de l'intérieur de la chambre de séparation 3.
Des particules solides en rotation subissent une force centrifuge. Lorsque ces particules solides sont en contact avec une surface en rotation (la face amont 19a), elles subissent en outre une force centripète.
Grâce à la saillie 19b de ce deuxième mode de réalisation, on peut éviter que les particules solides du troisième composant fluide en contact avec la face amont 19a ne se déplacent vers l'axe 6 le long de cette face amont 19a. Les particules solides sont alors contraintes à s'écouler vers la troisième sortie 23 et le troisième canal 33 d'extraction.
En outre, une telle saillie 19b peut être adaptée à tous les autres modes de réalisation de l'invention.
La figure 5 montre un troisième mode de réalisation de l'invention comportant un seul grain d'étanchéité 42 adapté pour réaliser une étanchéité entre l'enveloppe externe 5 fixe et l 'insert externe 19 mobile en rotation autour de l'axe 6. Cette structure simplifiée permet d'utiliser un grain d'étanchéité de plus grande section, résistant mieux aux vitesses relatives importantes entre l'enveloppe externe 5 et l'insert externe 19.
Les autres aspects de ce mode de réalisation sont identiques au mode de réalisation des figures 3A et 3B.
La figure 6 montre un quatrième mode de réalisation de l'invention dans lequel les moyens d'étanchéité des précédents modes de réalisation sont remplacés par un jeu axial entre l'enveloppe externe 5 et l'insert externe 19, ledit jeu formant un canal de fuite 43 entre le premier canal 31 et la cavité 5a. En effet, les grains d'étanchéité 41, 42 doivent être dimensionnés pour résister aux vitesses relatives et aux natures des composants fluides, ce qui n'est pas aisé pour l'application pétrolière .
Le dispositif de sortie 16 de ce mode de réalisation (mais les autres modes de réalisation peuvent également avoir cette caractéristique) comporte un premier diaphragme 34 en sortie du troisième canal 33, c'est-à-dire en entrée de la cavité 5a.
Grâce à ce premier diaphragme 34, une pression du troisième composant fluide dans la cavité 5a peut être inférieure ou égale à une pression du premier composant fluide dans le premier canal 31. De cette manière, on assure que dans le canal de fuite 43 une faible quantité du premier composant fluide (eau) du premier canal 31 est détournée vers la cavité 5a, et que le troisième composant fluide comportant des particules solides (sable) ne transite pas par ce canal de fuite 43 vers le premier canal 31. Le premier composant fluide n'est donc pas pollué et le dispositif de sortie 16 n'a plus besoin de grain d'étanchéité ou de tout dispositif d'étanchéité par contact .
Le dispositif de sortie 16 de ce mode de réalisation (mais les autres modes de réalisation peuvent également avoir cette caractéristique) comporte également un deuxième diaphragme 52 en entrée du canal de dérivation formé par le tube 51, c'est-à-dire en sortie de la cavité 5a.
Grâce à ce deuxième diaphragme 52, une pression du troisième composant fluide dans la cavité 5a peut être supérieure ou égale à une pression du deuxième composant fluide dans le deuxième canal 32. De cette manière, on assure que le troisième composant fluide s'évacue par le canal de dérivation vers le deuxième canal 32.
Les premier et deuxième diaphragmes 34, 52 permettent donc de régler la pression dans la cavité 5a, et donc les débits en entrée et en sortie de cette chambre. Il est ainsi possible d'assurer que ces débits sont suffisamment importants pour que les particules solides (sable) du troisième composant fluide ne s'accumulent pas et ne bouchent pas cette cavité 5a.
Les figure 7A et 7B montrent un cinquième mode de réalisation de l'invention dans lequel le canal de fuite 43 du quatrième mode de réalisation, comporte ici une portion intermédiaire 43b de forme sensiblement cylindrique longitudinale autour de l'axe 6 du dispositif, entre une portion d'entrée 43a et une portion de sortie 43c sensiblement annulaires et radiales.
La portion intermédiaire 43b comporte éventuellement une pluralité d'excroissances 43d radiales s 'étendant transversalement, formant des restrictions radiales dans le canal de fuite 43 et adaptées pour contrôler le débit de fluide transitant dans ce canal de fuite 43.
Cette portion intermédiaire 43b permet donc de régler la perte de charge hydraulique et le débit du canal de fuite 43, sans nécessiter un grand encombrement radial et sans imposer des tolérances axiales difficiles à tenir pratiquement .
La figure 8 représente une vue schématique développée de manière plane d'un exemple de troisième canal 33 sensiblement annulaire du dispositif de sortie 16 de l'invention. Ce troisième canal 33 comporte une pluralité de sous-canaux 33b séparés par les pontets 19b reliant 1 'insert externe 19 à l'ensemble mobile 11. Ces sous-canaux comportent des entrées de forme convergente pour faciliter l'écoulement, et éviter que des particules solides (sable) du troisième composant fluide ne s'accumulent ou ne bouchent ces entrées.
Ces sous-canaux se réunissent alors avant des premiers diaphragmes 34, après lesquels se trouve la cavité 5a.

Claims

REVENDICATIONS
1. Séparateur de composants d'un milieu fluide, comprenant le long d'un axe (6) :
- un ensemble mobile (11) comprenant au moins un lanceur (2) et une chambre de séparation (3) cylindrique ayant une paroi intérieure (3a), ledit ensemble mobile (11) étant entraîné en rotation autour dudit axe pour entraîner le milieu fluide selon un écoulement sensiblement axial et provoquer la séparation de composants dudit milieu fluide, et
- un dispositif de sortie (16) à une extrémité aval de la chambre de séparation comprenant au moins une première sortie (21) pour extraire un premier composant fluide et une deuxième sortie (22) pour extraire un deuxième composant fluide moins dense que le premier composant fluide, ladite première sortie (21) étant plus éloignée de l'axe que la deuxième sortie,
ledit dispositif de sortie (16) comprenant une troisième sortie (23) pour extraire un troisième composant fluide comportant des particules solides, ledit troisième composant fluide étant plus dense que le premier composant fluide, et ladite troisième sortie étant plus éloignée de l'axe que la première sortie avec au moins un bord à proximité de la paroi intérieure (3a) de la chambre de séparation ( 3 ) ,
caractérisé en ce que le séparateur comprend en outre au moins un canal de dérivation (50) reliant, dans le dispositif de sortie (16), la troisième sortie (23) avec la deuxième sortie (22) de telle sorte que le troisième composant fluide s'écoule vers le deuxième composant fluide .
2. Séparateur selon la revendication 1, comprenant en outre une enveloppe externe (5) fixe et des premier, deuxième et troisième canaux (31, 32, 33) chacun dans un prolongement de la première, deuxième et troisième sortie (21, 22, 23), respectivement, pour transporter chaque composant fluide, et dans lequel ledit troisième canal (33) fait partie d'un insert externe (19) entraîné en rotation autour de l'axe (6) avec l'ensemble mobile (11) et débouche dans une cavité (5a) fixe de l'enveloppe externe (5) .
3. Séparateur selon la revendication 2, dans lequel des moyens d'étanchéité (40) font au moins étanchéité entre l'enveloppe externe (5) et 1 'insert externe (19) comprenant le troisième canal (33) .
4. Séparateur selon la revendication 3, dans lequel les moyens d'étanchéité (40) comprennent au moins un grain d'étanchéité appliqué en appui contre l'un ou l'autre parmi l'insert externe (19) et l'enveloppe externe (5), par au moins un élément élastique.
5. Séparateur selon la revendication 2, dans lequel l'insert externe (19) et l'enveloppe externe (5) sont axialement séparés par un jeu formant un canal de fuite (43) entre le premier canal de sortie (31) et la cavité (5a) .
6. Séparateur selon la revendication 5, dans lequel le canal de fuite (43) s'étend au moins selon une portion
(43b) cylindrique sensiblement parallèle à l'axe (6) comprenant une pluralité de restrictions radiales pour régler une perte de charge dudit canal de fuite.
7. Séparateur selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le troisième canal (33) comprend au moins un premier diaphragme (34) adapté pour qu'une pression du troisième composant fluide dans ladite cavité (5a) soit inférieure ou égale à une pression du premier composant fluide dans le premier canal (31) .
8. Séparateur selon la revendication 7, dans lequel un canal de dérivation (50) s'étend entre la cavité (5a) et le deuxième canal (32), de telle sorte que le troisième composant fluide s'écoule vers le deuxième composant fluide .
9. Séparateur selon la revendication 8, dans lequel le canal de dérivation (50) comprend au moins un deuxième diaphragme (52) adapté pour qu'une pression du troisième composant fluide dans ladite cavité (5a) soit supérieure ou égale à une pression du deuxième composant fluide dans le deuxième canal (32) .
10. Séparateur selon la revendication 7, dans lequel le troisième canal (33) est divisé en une pluralité de sous- canaux (33b) entre la troisième sortie (23) de la chambre de séparation (3) et le premier diaphragme (34) .
11. Séparateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de sortie (16) forme un fond à la chambre de séparation (3) sensiblement transversal à l'axe (6), comprenant une saillie annulaire (19b) s 'étendant vers l'amont de l'écoulement fluide dans la chambre de séparation, ladite saillie (19b) étant située entre la première sortie (21) et la troisième sortie (23) de telle sorte à canaliser les particules solides du troisième composant fluide vers ladite troisième sortie (23) .
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